一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制系统及控制方法
【专利摘要】一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制系统及控制方法，本发明涉及检查机械手运动的控制系统及控制方法。本发明是要解决国内现有技术没有提供对容器焊缝检查机械手运动轨迹的规划方法。检查机运动控制系统包括：检查机运动控制系统由人机交互子系统、电源管理子系统、运动控制子系统与机械手子系统组成；规划设计5种检查轨迹：筒体焊缝检查轨迹、接管焊缝检查轨迹、交贯面焊缝检查轨迹、交管圆角焊缝检查轨迹以及底封头焊缝检查轨迹，然后通过这5种轨迹生成容器焊缝处机械手的运动轨迹，人机交互子系统根据所述运动轨迹上的致密的运动点通过所述的运动控制子系统控制机械手完成检测任务。本发明应用于核电、化工等领域的大型高危容器的检测。
【专利说明】一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及检查机械手运动的控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]核能、化工等产业已成为国民经济发展的战略性产业。在造福人类的同时，伴随而来的是危害国家生命财产安全的电离辐射、有害气体污染、核安全性等问题。为了保障设备的长期安全运行，世界各技术发达国家研制了大量的设备检查维护机器人，用机器人代替操作人员在危险环境下去完成那些具有极高危险性工作。据不完全统计，目前全世界已开发出上百种的专用机器人系统，随着世界核能、化工等工业的快速发展，高危产业已成为机器人发挥重要作用的应用领域。
[0003]随着我国核电、化工等具有大型高危容器设备的相关产业的快速发展，我国的具有自主知识产权的大型高危容器检查维修技术和装备还十分落后，大量缺乏保障核电、化工等大型容器设备安全运行的必要检查维修装备。目前大型高危容器的检修都是花费高昂的代价购买或租用国外专用的工具和设备，不仅造成大量经济损失，还不利于我国相关产业的自主快速发展。大型高危容器检查维修技术与装备是技术密集型高科技产业，是一个国家综合实力的象征，发展大型高危容器检查维修技术还可以带动我国高辐照材料、元器等关键部件的研发，拉动国民经济发展。在这种情况下，针对我国引进的压力容器检查设备，研制开发面向大型高危容器焊缝检测任务检查机运动轨迹规划方法，打破国际上的技术垄断就显得尤为迫切。尽快开展这方面的工作不仅具有客观的经济效益，而且对提高核能、化工等产业的自动化水平、保护工作人员的健康和安全，以及构建和谐社会主义社会都有积极和重大的社会意义。
[0004]大型高危容器检查主要包括容器焊缝处的超声检测、视频检测或射线检测。目前我国使用的容器超声检测中的机器手设备主要是采用国外公司的技术及设备，由于其设备的租赁或购买成本高昂，且其设备的核心技术——机械手运动轨迹的规划方法对外保密，因此，借鉴国外公司对容器超声检测机器人控制仿真策略，开发针对我国的同类容器焊缝检测任务检查机运动轨迹规划方法，即适用于传统大型高危容器的检查，也适用于我国独有的新型大型容器焊缝的超声及视频检测。
【发明内容】
[0005]本发明是要解决国内现有技术没有提供对容器焊缝检查机械手运动轨迹的规划方法，实现危险环境下大型高危容器大修检测项目中的容器焊缝检查，提出一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制系统及控制方法。
[0006]检查机运动控制系统包括:
[0007]检查机运动控制系统由人机交互子系统、电源管理子系统、运动控制子系统与机械手子系统组成；
[0008]其中，所述电源管理子系统为人机交互子系统与运动控制子系统供电，所述运动控制子系统通过专用的电源线、数据线和控制信号线集成的专用电缆与机械手子系统相连，机械手子系包括机械手，所述机械手通过数据线向运动控制子系统传输电机旋变反馈的数据，所述运动控制子系统通过控制信号线向机械手内的电机传输发出的旋转角度对应的电流；所述运动控制子系统通过光纤网络与人机交互子系统相连。
[0009]一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制方法包括以下内容:
[0010]规划设计5种检查轨迹:筒体焊缝检查轨迹、接管焊缝检查轨迹、交贯面焊缝检查轨迹、交管圆角焊缝检查轨迹以及底封头焊缝检查轨迹，然后通过这5种轨迹生成容器焊缝处机械手的运动轨迹，人机交互子系统根据所述运动轨迹上的致密的运动点通过所述的运动控制子系统控制机械手完成检测任务。
[0011]本发明包括以下有益效果:
[0012]1、针对危险环境下大型容器定期的大修检测项目中的容器焊缝检查，本发明提出一种容器焊缝检查机械手运动轨迹规划方法，打破国外技术垄断封锁，填补国内空白；
[0013]2、通过本发明开发的检查机运动控制系统与聘请国外相关公司或租用国外相关技术设备相比，运用该方法开发的检查机械手控制系统进行大型高危容器超声、视频检查或射线检测，降低了检测维修成本、节省了资源；
[0014]3、本发明所取得的成果对其它运用机械臂检测的工作环境，研究和开发机械臂运动轨迹规划提供了借鉴。
[0015]4、通过本发明开发的检查机运动控制系统已经成功应用到全国各类具有大型容器检测中，取得了良好的效果，成功代替了以前聘请外国公司进行检测的现象。
[0016]5、本发明开发的检查机运动控制系统进行危险环境下大型容器检查时，检查成本低，检测效果与国外设置的检查效果一致，适用于多种类型的容器检查，并且已经对各类大型高危容器进行了多次实际的检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明针对容器焊缝检查机械手运动的控制方法流程图；
[0018]图2 Ca)是【具体实施方式】一步骤二中筒体焊缝周向轨迹示意图；
[0019]图2 (b)是【具体实施方式】一步骤二中筒体焊缝径向轨迹示意图；
[0020]图2 (c)是【具体实施方式】一步骤三中接管焊缝周向轨迹示意图；
[0021]图2 Cd)是【具体实施方式】一步骤三中接管焊缝径向轨迹示意图；
[0022]图2 (e)是【具体实施方式】一步骤四中交贯面焊缝周向轨迹示意图；
[0023]图2 Cf)是【具体实施方式】一步骤四中交贯面焊缝径向轨迹示意图；
[0024]图2 (g)是【具体实施方式】一步骤五中交管圆角焊缝轨迹示意图；
[0025]图2 (h)是【具体实施方式】一步骤六中球类焊缝周向轨迹示意图；
[0026]图2 (i)是【具体实施方式】一步骤六中球类径向扫查轨迹示意图；
[0027]图3是检查机运动控制系统结构框图。
【具体实施方式】
[0028]【具体实施方式】一:本实施方式的检查机运动控制系统包括:
[0029]检查机运动控制系统由人机交互子系统、电源管理子系统、运动控制子系统与机械手子系统组成；
[0030]其中，所述电源管理子系统为人机交互子系统与运动控制子系统供电，所述运动控制子系统通过专用的电源线、数据线和控制信号线集成的专用电缆与机械手子系统相连，机械手子系包括机械手，所述机械手通过数据线向运动控制子系统传输电机旋变反馈的数据，所述运动控制子系统通过控制信号线向机械手内的电机传输发出的旋转角度对应的电流；所述运动控制子系统通过光纤网络与人机交互子系统相连。
[0031]所述人机交互子系统包括三维图形工作站与视频显示器；
[0032]其中，所述三维图形工作站包括数据结构所述三维图形工作站是一台计算机，在其运行的三维控制软件包含包括数据库结构、通讯模块、轨迹生成模块与运动控制模块；其中，所述数据结构一端与轨迹生成模块相连，一端与通讯模块相连，一端与运动控制模块相连；是软件运行时的临时存储的数据，它是其它模块的纽带，其它模块进行工作时的需求数据和结果均通过数据结构进行连接，包括:系统配置数据、模型扩展数据、运动配置数据、显示数据、通讯数据等。
[0033]其中，所述三维图形工作站通过电源线和数据线与与视频显示器相连；
[0034]所述电源管理子系统包括:总电源、集装箱电源、平台电源、机械臂手驱动电源；
[0035]其中，所述总电源通过电源线分别与集装箱电源和平台电源相连；
[0036]所述运动控制子系统包括:机械臂手控制箱；
[0037]所述平台电源通过电源线与机械臂手控制箱相连，所述机械臂手驱动电源通过电源线与械臂手控制箱相连；
[0038]所述机械手子系统包括机械臂手；
[0039]所述机械手通过专用电缆、电源线、数据线与控制信号线与机械臂手控制箱相连。
[0040]人机交互子系统是建立在控制用图形工作站基础上的具有三维显示和人机交互功能的集成交互环境，借助该三维显示与交互环境，操作者能够控制远程机械手实现对容器的检查；人机交互子系统中有轨迹规划方法、轨迹生成控制参数、以及所生成的检查机运动插补点。
[0041]所述运动控制子系统通过通讯网络接收人机交互子系统的控制指令和配置参数，产生六个电机伺服系统的控制/驱动信号，并实时对机械手各关节的旋转变压器码盘信号进行采集，以实现对机械手六个关节的单轴/多轴运动及末端运动轨迹控制；机械手子系统具有6各自由度，电机运动轴和关节运动轴分别配置旋转变压器，实现具有单关节双反馈的多轴伺服运动控制。
[0042]在采用6自由度检查机作为超声、视频运动检查载体检测危险环境下大型容器的系统中，针对容器焊缝位置制定的超声检查区域，分析检查部位的种类、压力壳结构、以及控制参数，规划设计5种检查轨迹:筒体焊缝检查轨迹、接管焊缝检查轨迹、交贯面焊缝检查轨迹、交管圆角焊缝检查轨迹以及底封头焊缝检查轨迹，联系实际应用。
[0043]本实施方式包括以下有益效果:
[0044]1、针对危险环境下大型容器定期的大修检测项目中的容器焊缝检查，本实施方式通过提出一种容器焊缝检查机械手运动轨迹规划方法，打破国外技术垄断封锁，填补国内空白；
[0045]2、通过本实施方式开发的检查机运动控制系统与聘请国外相关公司或租用国外相关技术设备相比，运用该方法开发的检查机械手控制系统进行容器超声、视频检查或射线检测，降低了检测维修成本、节省了资源；
[0046]3、本实施方式所取得的成果对其它运用机械臂检测的工作环境，研究和开发机械臂运动轨迹规划提供了借鉴。
[0047]4、通过本实施方式开发的检查机运动控制系统已经成功应用到全国各类具有大型容器检测中，取得了良好的效果，成功代替了以前聘请外国公司进行检测的现象。
[0048]5、本实施方式开发的检查机运动控制系统进行危险环境下大型容器检查时，检查成本低，检测效果与国外设置的检查效果一致，适用于多种类型的容器焊缝检查，并且已经对各类大型高危容器进行了多次实际的检测。
[0049]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:一种针对大型高危容器焊缝检查机械手运动的控制方法包括以下内容:
[0050]规划设计5种检查轨迹:筒体焊缝检查轨迹、接管焊缝检查轨迹、交贯面焊缝检查轨迹、交管圆角焊缝检查轨迹以及底封头焊缝检查轨迹，然后通过这5种轨迹生成容器焊缝处机械手的运动轨迹，人机交互子系统根据所述运动轨迹上的致密的运动点通过所述的运动控制子系统控制机械手完成检测任务。
[0051 ] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0052]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:所述筒体焊缝检查轨迹包括周向检查轨迹与径向检查轨迹；
[0053]其中，所述筒体焊缝检查轨迹公式为:
【权利要求】
1.一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制系统，其特征在于检查机运动控制系统包括: 检查机运动控制系统由人机交互子系统、电源管理子系统、运动控制子系统与机械手子系统组成； 其中，所述电源管理子系统为人机交互子系统与运动控制子系统供电，所述运动控制子系统通过电源线、数据线和控制信号线集成的电缆与机械手子系统相连，机械手子系包括机械手，所述机械手通过数据线向运动控制子系统传输电机旋变反馈的数据，所述运动控制子系统通过控制信号线向机械手内的电机传输发出的旋转角度对应的电流；所述运动控制子系统通过光纤网络与人机交互子系统相连。
2.应用权利要求1的控制系统的针对容器焊缝检查机械手运动的控制方法，其特征在于一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制方法包括以下内容: 规划设计5种检查轨迹:筒体焊缝检查轨迹、接管焊缝检查轨迹、交贯面焊缝检查轨迹、交管圆角焊缝检查轨迹以及底封头焊缝检查轨迹，然后通过这5种轨迹生成容器焊缝处机械手的运动轨迹，人机交互子系统根据所述运动轨迹上的致密的运动点通过所述的运动控制子系统控制机械手完成检测任务。
3.根据权利要求2所述的一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制方法，其特征在于所述筒体焊缝检查轨迹包括周向检查轨迹与径向检查轨迹； 其中，所述筒体焊缝检查轨迹公式为:
Si=Trans (O, O, Ri) Rot (ζ, Θ J Trans (O, Ee, O) Rot (x, Fa.Ατ)； 上述公式展开为:
4.根据权利要求3所述的一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制方法，其特征在于所述接管焊缝检查轨迹的表达式:
5.根据权利要求4所述的一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制方法，其特征在于所述交贯面焊缝检查轨迹的表达式:
6.根据权利要求5所述的一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制方法，其特征在于所述交管圆角焊缝周向检查轨迹的表达式:
7.根据权利要求2、3、4、5或6所述的一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制方法，其特征在于所述底封头焊缝检查轨迹的表达式:
Si=Trans (O，O，Ql) Rot (z, 90- Θ J Rot (x, 90+?) Trans (O, 0，Qe) Rot (0，90) Rot (1，180) 上述公式为底封头焊缝周向检查轨迹时，其中，所述的参数
8.根据权利要求7所述的一种针对容器焊缝检查机械手运动的控制方法，其特征在于:FA取值为O或I。
【文档编号】B25J13/00GK103707304SQ201310703645
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】赵杰, 李戈, 黄晓锋, 文斌, 闫继宏, 何秀权, 樊继壮 申请人:哈尔滨工业大学, 中核武汉核电运行技术股份有限公司